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利用漂浮植物修复系统栽培风车草、彩叶草和茉莉净化富营养化污水的研究



全 文 :利用漂浮植物修复系统栽培风车草 、彩叶草和
茉莉净化富营养化污水的研究*
刘士哲** 林东教 唐淑军 罗 健
(华南农业大学资源环境学院 , 广州 510642)
【摘要】 在盛装容积为 100L 富营养化生活污水的陶缸中放置泡沫塑料板作为浮体材料 ,并用有孔塑料
小杯作为漂浮植物修复系统 , 在温室内种植风车草 、彩叶草和茉莉进行植物净化试验 , 分别测定了污水中
的总磷(T-P)、水溶性磷(S-P)、铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO-3 -N)和总氮(T-N)在种植这 3 种植物过程中
的含量变化情况.结果表明 ,这 3 种植物经 28 d 生长之后 , 风车草和彩叶草生长良好 ,生物量大 , 其干重分
别是初始种植时的 285.8%和 371.4%,而茉莉生长较差 , 生物量增加少 ,其干重只是初始种植时的125%.
风车草 、彩叶草和茉莉对污水中的总氮的去除率分别为 68.0%、62.0%和 45.0%,对硝态氮的去除率分别
为 98.0%、80.0%和 92.0%,对总磷的去除率分别为 78.0%、66.0%和 55.0%, 对 CODCr的去除率分别为
90.6%、90.5%和 88.0%.风车草和彩叶草在飘浮植物修复系统栽培中具有良好的去污效果.
关键词 风车草 彩叶草 茉莉 漂浮植物修复系统 富营养化污水
文章编号 1001-9332(2004)07-1261-05 中图分类号 S682 文献标识码 A
Purification of eutrophic wastewater by Cyperus alternifolius , Coleus blumei and Jasminum sambac planted in
a f loating phytoremediation system.LIU Shizhe , LIN Dongjiao , TANG Shujun , LUO Jian (College of Natural
Resources and Env ironment , South China Agricultural University , Guangz hou 510642 , China).-Chin.J.Ap-
pl.Ecol., 2004 , 15(7):1261~ 1265.
In a greenhouse study , Cyperus alternifolius , Coleus blumei and Jasminum sambac w ere cultured in a floating
phy toremediation system with plantation cups inserted into a polyfoam plate that floated in the upper part of a
tank filled with 100 L domestic wastewater.The contents of chemical ox ygen demand(CODCr), to tal P(T-P),
total N (T-N), so luble P(S-P), ammonia-nitrogen (NH+4-N)and nitrate-nitrogen (NO-3-N)in the domestic
wastewa ter were tested during the g row th of these three plants.The results showed that Cyperus alterni folius
and Coleus blumei could g row well in the flo ating phy to remedia tion system , their dry weight being 285.8% and
371.4% of the initial weight of planting , respectively , but Jasminum sambac could not g row well , being 125.
0% of the initial w eight of planting.The removal rate of TN by these 3 plants was 68.0%, 62.0% and 45.0%,
and that of NO-3 -N , CODCr and TP w as 98.0%, 80.0% and 92.0%, 78.0%, 66.0% and 55.0%, and 90.
6%, 90.5% and 88.0% respectively.Cyperus alterni folius and Coleus blumei had good effects on the removal
of pollutants in the floating phytoremediation system.
Key words Cyperus alterni folius , Coleus blumei , Jasminum sambac , Floating phytoremediation sy stem , Eu-
trophic wastewater , Purification.
*国家科技部重大科技产业化工程资助项目(96-012-05-03).
**通讯联系人.
2003-09-16收稿 , 2003-12-21接受.
1 引  言
水环境污染和水资源短缺是当今全球淡水资源
面临的两大危机.我国一些湖泊 、河流富营养化程度
日益加剧 ,已趋富营养化的湖泊达 90%以上[ 4] .水
质富营养化是由于水中氮 、磷等营养物质的富集而
使水质恶化的过程 ,富营养化水体会促使藻类迅速
繁殖 ,其中某些藻类会散发出腥味异臭 ,当藻类死亡
分解腐烂时 ,水中 COD 、BOD值猛增 ,水质恶化 ,导
致鱼类及其它生物死亡[ 4 , 5 , 15 ,17 , 18] .有效地降低水
体中的氮 、磷含量已成为现代水处理技术的一项新
课题.利用植物特别是水生植物或者是建立人工湿
地系统种植旱生植物在富营养化水体治理中可取得
较好效果[ 3 ,6 ~ 10 ,14 , 16 ,20 , 21] ,但人工湿地系统占地面
积大 ,且经稍长时间使用之后易造成人工湿地的土
壤孔隙堵塞 ,极大地降低了去污效果 ,要进行湿地的
人工土壤更换要花费大量的人力 、物力和财力.为解
决这个问题 ,目前也有些研究者进行了水面植物种
植来治理污染鱼塘等水体[ 11 ,19 , 22] ,还有些研究者利
用无土栽培设施(营养液膜技术 ,NFT)来净化生活
污水[ 1 , 2 , 17] ,但利用漂浮种植观赏植物净化富营养
化生活污水的研究较少.本研究取华南农业大学校
区内已严重富营养化的生活污水于温室中 ,利用漂
应 用 生 态 学 报 2004 年 7 月 第 15 卷 第 7 期                              
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Jul.2004 , 15(7)∶1261~ 1265
DOI :10.13287/j.1001-9332.2004.0267
浮栽培的方法来种植 3种具有观赏性的植物 ———风
车草 、彩叶草和茉莉 ,以探索这 3种植物在漂浮植物
修复系统中生长的适应性及其对污染物的去除效
果.为今后生活污水的漂浮植物修复系统的应用提
供理论依据.
2 材料与方法
2.1 供试植物
选取下列 3 种:(1)风车草(Cyperus alternifolius):莎草
科莎草属多年生的草本植物 ,已有被用于人工湿地或水塘边
种植以美化水域景观和净化污水.(2)彩叶草(Coleus
blumei):又名锦紫苏 , 唇形科鞘蕊花属多年生的草本植物 ,
生长需要大量水分 ,茎叶紫色 , 常用于景观美化 ,多年会长成
亚灌木状.(3)茉莉(Jasmnum sambac):木樨科常绿灌木 , 性
喜湿润 ,常用于花坛绿化.
所有植物来自土培苗 ,苗高 10~ 15 cm ,经去土洗净根后
置于定植杯里用华南农业大学叶菜类营养液配方[ 13]水培 2
周, 待苗高 20~ 30 cm ,移栽定植到漂浮栽培植物修复系统中.
2.2 供试水样
取自华南农业大学校内鱼塘塘水.其主要理化性状为:
pH6.5 ~ 8.5 , 总氮(TN)20~ 30 mg·L-1 ,总磷(TP)0.8 ~ 1.8
mg·L-1 , 铵态氮(NH+4-N)15 ~ 18 mg·L -1 , 化学需氧量
(CODCr)100 ~ 160 mg·L-1.参照“国家地面水环境质量标准
(GB3838-1988)[ 13] , 该鱼塘水为严重超出地表 V 类水标准.
2.3 试验方法
在容积为 120 L、内壁上釉的陶缸内盛 100 L富营养化
污水 ,每缸内水面上放置一块 l×w=42 cm×36 cm 、厚δ=
5 cm 的聚苯乙烯泡沫塑料板作为漂浮栽培的定植板.在此
定植板上以 25 cm×15 cm 的间距开 4 个 Ф=7 cm 的定植
孔 ,在定植孔中分别放入 4 个与定植孔孔径相匹配的塑料定
植杯 ,每个杯中定植一株长势一致的植物.每缸为一重复 , 每
一种植物设 3 个重复.再以放置了不定植植物的泡沫板的 3
陶缸水样为对照.自 2001年 10 月 10日种植植物开始 , 缸内
的污水 28 d后更换一次 , 28d 为 1 周期 , 11 月 14 日和 12 月
12 日各更换水 1 次 , 为第 2、3 周期的开始 , 经 84 d 试验结
束.在每个周期内 , 每隔 6 d 以自来水补充所蒸腾蒸发的水
分 ,从而保持陶缸中水样体积恒定.种植植物的过程中 , 每 7
d 一次取样测定水体中的总氮 、NH+4-N 、NO -3-N 、总磷和溶
解性磷酸盐浓度;每隔 2 d 测定一次水体化学需氧量
(CODCr).每次取样 100 ml , 取样前搅动使水缸内的水样混
和均匀.每一周期换水时均测定植株的鲜重 , 第三周期结束
时称取植株鲜重后放入 105℃烘箱杀青 30 min 后在 75℃下
烘干称取干重.整个试验在华南农业大学无土栽培技术研究
室的温室内进行.由于本试验数据多 , 因此采用第二周期的
数据来进行结果分析.
2.4 测定项目和方法
用纳氏试剂光度法测定铵态氮(NH+4-N);紫外分光光
度法测定硝氮(NO-3-N);过硫酸钾氧化-紫外分光光度法
测定总氮(T-N);钼锑抗分光光度法测定总磷(T-P):钼锑抗
分光光度法测定可溶性磷酸盐(S-P);重铬酸钾氧化法测定
CODCr;采用溶解氧仪测定溶解氧(DO)[ 12] .
2.5 数据处理
所有试验数据均经过 Excel和 SAS 软件进行处理 ,采用
邓肯氏新复极差法(DMRT)进行数据差异显著性检验.
3 结果与分析
3.1 植物种植过程中的生物量变化
从表 1可以看到 ,风车草 、彩叶草两种植物长势
都较旺盛 ,鲜重增加较大 ,在水中的根系也长得比较
发达.风车草生长了 28d 之后的鲜重和干重分别是
初始种植的 189.6%和 285.8%,而彩叶草的鲜重和
干重分别是初始种植的 350%和 371.4%.但茉莉的
长势则较缓慢 ,其根系也不甚发达 ,其鲜重和干重只
是初始种植的 130%和 125%,生物量增加不大.这
是由于风车草和彩叶草都较为适宜在污水中生长 ,
而木本的茉莉不适宜于让根系长期淹水进行漂浮种
植的缘故.
表 1 3种植物的试验前后生物量的变化*
Table 1 Changes of biomass of 3 plants before and after tested
植物
Plants
初始鲜重**
Initial FW
28 d后鲜重
FW af ter 28 d
初始干重
Initial DW
28 d后干重
DW after 28 d
28 d时含水量
Water content after 28 d(%)
风车草 Cyperus al tern ifolius(g·plant-1) 120.0±0.9 227.8±0.8 116.1±1.4 332.2±4.5 85.4
彩叶草 Coleus blumei(g·cluster-1) 30.0±0.5 105.0±0.5 1.1±0.4 3.9±0.2 96.3
茉莉 Jasmin um sambac(g·plant -1) 25.0±0.5 35.0±0.5 5.2±1.6 6.5±1.2 80.0
*表中数据为 3次重复的平均值±标准误 The data represen t the average of 3 duplicates±SE;**为第二个周期开始的鲜重.The f resh w eight at
the beginning of 2nd round s experiment.
  从表 1还可以看到 ,供试的 3种植物品种的含
水量差异很大 ,生长了 28 d 之后的风车草 、彩叶草
和茉莉的含水量分别为 85.4%、96.3%和 80.0%,
如果将污水治理之后的植物残体作为原料而进行有
机无机复合肥和植物生长基质的生产 ,显然是含水
量低的风车草要容易进行烘干处理 ,而彩叶草在烘
干时则较为麻烦.但是作为美化绿化的用途 ,彩叶草
由于有美观的叶色 ,因此 ,也不失为一种良好的水上
漂浮栽培的植物品种.由于茉莉在漂浮栽培植物修
复系统中生长不良 ,因此不能选用.
1262 应 用 生 态 学 报                  15卷
3.2 植物种植对污水中氮浓度的影响
从表 2可以看出 ,对照处理水样中的 NH+4 -N
含量随时间的延长而呈逐渐下降的趋势 ,且下降幅
度较大 ,经过 14d之后 ,污水中的 NH+4 -N 含量只有
原来的 50%左右 ,而到了 28d 时 ,则降到只有原来
浓度的 1/3弱;而污水中的 NO-3 -N 含量则呈逐渐
上升的趋势 ,且上升幅度也较大 ,说明铵态氮在自然
条件下会通过硝化作用转化为 NO-3 -N ,使污水中的
NO-3 -N 含量增加 ,而 NH+4 -N 含量降低.从表 2 还
可以看到 ,对照处理污水中的总氮浓度也随时间的
延长而逐渐降低 ,这可能是由于部分 NO-3 -N 通过
反消化作用转化为气态氮散失了 ,也有可能是有部
分氮素被颗粒物质吸附而带入水体下部造成的 ,这
就是水体本身的自净化作用.但是污水中总氮的这
种自净化作用对总氮的去除率在经过试验的 28 d
之后只有 26.5%,大部分氮素仍然保留在污水中.
从表 2 可见 , 经过 28 d 之后 ,污水中的 NH+4 -N 、
NO-3 -N和总氮含量降低的幅度均比不种植植物的
大得多.从 NH+4 -N 的去除率来看 , 风车草可达
98%,彩叶草为 80%,而茉莉也可达 93%,与污水的
自净化作用比较 ,这 3 种植物分别降低了 32%、
13%和 25%.而污水中的 NO-3 -N 含量则比试验的
高 ,但分析了 28 d后的 NO-3 -N 浓度可以发现 ,种植
风车草和彩叶草地污水中 NO-3 -N浓度分别为 6.16
和 5.55 mg·L -1 ,比对照污水的 10.98 mg·L-1分别
降低了 43.9%和 49.5%,但茉莉对 NO-3 -N 的总去
除率与对照的相比没有多大差别 , 仅降低了
9.86%.从表 2也可以看到 ,在经过 28 d种植之后 ,
风车草 、彩叶草和茉莉这 3种植物的总氮去除率分
别为 68%、62%和 45%,均比对照的自然净化率达
26.5%高得多.由此可见 ,其去除效率非常显著.
表 2 3种植物种植过程污水中 NH+4 -N 、NO-3 -N 和 TP浓度的变化*
Table 2 Changes of NH+4 -N , NO-3 -N and TP concentrations in wastewater during the planting of 3 tested plants(mg·L-1)
植物
Plants
种植天数**Days af ter planting(d)
0 7 14 21 28
去除率***
Removal rate(%)
NH+4 -N
对照 CK 2.48 3.86±0.34a 12.32±0.38a 9.00±0.53a 10.98±0.18a -343
风车草 Cyperus al tern ifolius 2.48 3.61±0.17a 7.82±0.04b 6.06±0.28b 6.16±0.24b -148
彩叶草 Coleus blumei 2.48 2.81±0.06b 3.78±0.15c 3.05±0.38c 5.55±0.15b -124
茉莉 Jasmin um sambac 2.48 3.66±0.06a 7.45±0.15b 7.91±0.74ab 10.86±0.34a -339
NO -3 -N
对照 CK 15.82 13.94±0.27a 8.06±0.16b 8.30±0.14a 5.08±0.06a 67.0
风车草 Cyperus al tern ifolius 15.82 10.34±0.30b 3.52±0.14c 1.00±0.14c 0.34±0.02d 98.0
彩叶草 Coleus blumei 15.82 14.35±0.01a 9.66±0.27a 6.38±0.57b 3.23±0.07b 80.0
茉莉 Jasmin um sambac 15.82 14.48±0.10a 9.07±0.42a 5.36±0.32b 1.14±0.08c 92.0
TN
对照(CK) 23.59 21.48±0.22a 20.92±0.60a 18.90±0.50a 17.33±0.18a 26.5
风车草 Cyperus al tern ifolius 23.59 15.85±0.38d 12.55±0.40d 8.61±0.42d 7.40±0.38d 68.0
彩叶草 Coleus blumei 23.59 17.68±0.10c 14.96±0.47c 10.48±0.14c 8.94±0.10c 62.0
茉莉 Jasmin um sambac 23.59 19.74±0.34b 18.10±0.10b 13.78±0.24b 12.98±0.03b 45.0
*表中数据为 3次重复的平均值±标准误 ,采用 DMRT 法检验 , P=0.05 ,同列数据具有相同字母的表示差异不显著.The data mean the aver-
age of 3 duplicates±SE.The data in a vert ical row w ith same let ter represent no signif icant dif ference(P=0.05 , DM RT).**种植天数为第二周期
开始时的天数 Days af ter plan ting represent the days af ter the beginning of the 2nd round s experiment.***去除率(%)=(C 0 -Ci)· C-10 ·
100%,其中 C 0为试验开始时污水中污染物浓度 ,为第 i 天的浓度.Removal rate(%)=(C0-Ci)·C-10 ·100%, C 0 represents the concent ration of
pollutants at the beginning of experimen t , Ci represents the concent ration of pollu tes of day i.下同 The same below.
3.3 植物种植对污水中磷浓度的影响
从表 3可以看出 ,无论是种植植物的还是不种
植植物的污水总磷含量都随时间的延续而逐渐降
低.对照的总磷含量降低是由于污水中的颗粒沉降
而将磷带入水体下部 ,但污水中漂浮种植植物之后
总磷含量都显著降低 ,其去除率可达 55%~ 78%.
其中风车草的去除率最高 ,达 78%,其次为彩叶草 ,
为 66%,而茉莉最差 ,为 55%.可见 ,漂浮种植的这
3种植物对总磷的去除效果很显著.
从表 3还可以看到 ,对照污水中可溶性磷浓度
所呈现的是先升后降的趋势 ,而且上升的幅度比较
大 ,这是由于污水中的磷分解成可溶性磷的缘故.从
种植植物的情况来看 ,其污水可溶性磷含量都显著
地低于对照同一时期的含量 ,与起始的浓度比较 ,在
28d后风车草的去除率可达 80%,而彩叶草和茉莉
则去除率很低甚至比起始浓度还增高了 ,这是由于
这两种植物吸收之后不断有其它形态的磷溶解出来
变成可溶性磷的缘故.但与对照的相比 ,在经过一段
时间之后 ,污水中的可溶性磷含量都显著降低.可见
其对可溶性磷的去除效果也是很显著的.
12637 期      刘士哲等:利用漂浮植物修复系统栽培风车草 、彩叶草和茉莉净化富营养化污水的研究           
表 3 3种植物种植过程污水中总磷和可溶性磷浓度的变化(mg·L-1)
Table 3 Changes of total phosphate(TP)and soluble phosphate(SP)concentrations in wastewater during the planting of 3 tested plants(mg·L-1)
植物
Plants
种植天数**Days af ter planting(d)
0 7 14 21 28
去除率***
Removal rate(%)
TP
对照 CK 0.87 0.81±0.03a 0.71±0.02a 0.66±0.01a 0.66±0.01a 24.0
风车草 Cyperus al tern ifolius 0.87 0.48±0.01c 0.32±0.01d 0.27±0.00d 0.18±0.00d 78.0
彩叶草 Coleus blumei 0.87 0.62±0.02b 0.48±0.02c 0.38±0.02c 0.29±0.00c 66.0
茉莉 Jasmin um sambac 0.87 0.66±0.02b 0.54±0.02b 0.48±0.02b 0.39±0.00b 55.0
SP
对照 CK 0.12 0.23±0.00a 0.32±0.02a 0.36±0.01a 0.26±0.02a -114
风车草 Cyperus al tern ifolius 0.12 0.12±0.00c 0.10±0.00d 0.10±0.04b 0.02±0.00c 80
彩叶草 Coleus blumei 0.12 0.17±0.00b 0.20±0.00c 0.20±0.02b 0.12±0.00b 0
茉莉 Jasmin um sambac 0.12 0.24±0.00a 0.28±0.00b 0.20±0.01b 0.16±0.00b -32
表 4 植物种植过程污水中 CODCr浓度的变化
Table 4 Changes of CODCr concentrations in wastewater during the planting of 3 teseted plants(mg·L-1)
植物
Plants
种植天数**Days af ter planting(d)
0 2 4 6 8
去除率***
Removal rate(%)
对照 CK 130 117.4±2.5a 81.9±5.8a 52.2±5.0a 37.0±3.1a 72.0
风车草 Cyperus al tern ifolius 130 112.2±4.6a 72.7±4.9a 36.0±3.3b 12.2±1.4b 90.6
彩叶草 Coleus blumei 130 113.7±5.6a 86.6±7.4a 45.0±2.3ab 15.3±0.7b 90.5
茉莉 Jasmin um sambac 130 105.0±5.9a 73.9±5.1a 38.7±3.3ab 12.3±0.5b 88.0
3.4 植物种植对污水 CODCr浓度的影响
从表 4可以看出 ,无论是种植植物的处理还是
不种植植物的对照 ,污水中的化学耗氧量(CODCr)
都随着时间的延续而逐步降低.这是由于污水中的
有机物在自然状况下受到微生物的作用而逐步转化
为无机物所致 , 而种植植物之后的 8 d 内 , 污水
CODCr降低分幅度更大 ,去除率要比对照的高得多 ,
这是由于植物种植之后一方面可以直接吸收小分子
的有机物 ,另一方面可能是促进了有机物的直接降
解所造成的.因此 ,可以说漂浮栽培对于化学耗氧量
的降低所起的作用是很显著的.
4 讨  论
在本试验中 ,风车草和彩叶草的长势好 ,生长速
度快 ,生物量较大 ,对富营养化污水的治理效果较
好 ,而且植株长势美观 ,具有较好的美化和绿化效
果 ,而茉莉是木本植物 ,长势较缓 ,生物量不大 ,对富
营养化污水的治理效果较差 ,茉莉不太适应于漂浮
种植.
从各处理的氮 、磷 、CODCr的变化看 ,所选的 3
种植物对富营养化水体都有较好的净化效果 ,证明
利用观赏性植物进行漂浮栽培来治理富营养化水体
是可行的.综合以上 3 种植物对 CODCr 、磷 、氮去除
效果 ,就治理效果而言 ,以风车草最好 ,彩叶草其次 ,
茉莉最差.
国家制定的《地面水环境质量标准(GB 3838-
1988)》中的Ⅴ类标准规定总磷 、铵态氮 、硝态氮和化
学耗氧量含量分别为 0.2 、2 、25和 25 mg·L-1 ,而Ⅲ
类标准分别为 0.1 、1 、20 、15 mg·L-1.本试验选用的
生活污水的这 4项指标(除硝态氮之外)均超过了此
标准 ,为严重污染的地面水.从表 2 、3和 4的数据可
以看到 ,如不种植植物的污水的这 4 项指标在 28d
的自然净化之后分别为 0.66 、5.08 、10.98 和 37.0
mg·L-1 ,还是不能达到Ⅲ类标准 ,甚至还比Ⅴ类标
准高 ,仍是严重污染的水体 ,而经过 3种植物漂浮栽
培处理之后 28d的生活污水的这 4项指标均大大降
低 ,种植风车草的为 0.18 、0.34 、6.16 和 12.2 mg·
L -1 ,种植彩叶草的为 0.29 、3.23 、5.55和 15.3 mg·
L -1 ,种植彩叶草的为 0.39 、1.14 、10.86和 12.3 mg
·L-1.比较植物种植后污水和国家标准规定的这 4
项指标就可以发现 ,种植风车草之后的所有 4项指
标均低于 Ⅲ类标准 ,表明风车草具有很高的去污能
力 ,这与廖新亻弟等[ 12] 在人工湿地中的应用结果类
似.种植彩叶草和茉莉之后除了总磷和硝态氮之外 ,
其余的 2项指标均低于 Ⅲ类标准 ,这主要是所采用
的污水总磷和总氮的浓度很高 ,彩叶草和茉莉的生
长量和吸收量还不够大所致.
本试验的结果显示了漂浮栽培植物修复系统对
污水治理具有良好的处理效果和广阔的应用前景 ,
但今后还需要进一步对污染物吸收量更高的且具有
观赏价值的植物进行筛选.
参考文献
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作者简介 刘士哲 , 1964 年出生 , 教授 , 主要从事设施栽培
和环境污染植物治理方面的研究.先后主持和承担省级 、国
家级以及其它科研项目 20 多项 , 出版论著 1 本 , 教材 2 本 ,
论文 30 多篇.电话:020-85280294 E-mail:szliu@scau.edu.
cn.
12657 期      刘士哲等:利用漂浮植物修复系统栽培风车草 、彩叶草和茉莉净化富营养化污水的研究